黃土高填方路基沉降規(guī)律及機(jī)理研究

安惠娟

(太原市炳坤公路勘察設(shè)計(jì)咨詢有限公司，山西 太原 030006)

0 引言

近年來(lái)，隨著國(guó)家“十三五規(guī)劃”的不斷實(shí)施及中西部交通建設(shè)工程的不斷發(fā)展，黃土地區(qū)高速公路建設(shè)規(guī)模逐步增大。在黃土路基施工過(guò)程中，黃土通常作為路基的地基，同時(shí)又作為路基的填料。但由于黃土粉粒含量較大、鈣質(zhì)含量高、垂直節(jié)理發(fā)育、大孔隙發(fā)育，其具有顯著的結(jié)構(gòu)性及強(qiáng)烈的水敏性，導(dǎo)致其在施工及運(yùn)營(yíng)過(guò)程中極易受水的影響，進(jìn)而產(chǎn)生不均勻沉降、路基塌陷、滑塌等工程地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度及運(yùn)營(yíng)安全。

鑒于此，學(xué)者們針對(duì)黃土路基開展了大量而深入的研究，也取得了一系列的科研成果。杲斐[1]結(jié)合某鐵路路基沉降的工程病害，分析了病害的形成機(jī)理，并提出了增設(shè)灰土墊層和石灰樁的處治措施；何春鋒[2]等人利用理論分析手段研究了黃土路基的變形規(guī)律，提出了預(yù)測(cè)模型；孫皓[3]等人針對(duì)高填方濕陷性黃土路基的拓寬工程，利用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)手段研究其變形特性；焦廣彥[4]等人針對(duì)客運(yùn)專線黃土路基沉降規(guī)律進(jìn)行觀測(cè)，并預(yù)測(cè)了工后沉降；蔣關(guān)魯[5]等人利用室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)手段對(duì)黃土路基填料的改良特性進(jìn)行了深入研究，并對(duì)其沉降進(jìn)行預(yù)測(cè)。

本文依托山西某黃土高填方路基工程實(shí)例，利用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)手段對(duì)其沉降規(guī)律進(jìn)行深入研究，并利用理論分析手段研究黃土高填方路基的沉降機(jī)理，為類似工程提供技術(shù)參考。

1 工程背景

山西某高速公路為雙向四車道，設(shè)計(jì)速度為80 km/h，路基標(biāo)準(zhǔn)寬度為24.5 m。該高速公路路線位于黃土溝壑區(qū)，其地形地質(zhì)條件復(fù)雜，溝壑縱橫，溝谷地貌較為發(fā)育，導(dǎo)致其高填方路基分布較多，其中K9+990～K10+120段路基填土高度達(dá)34.98 m。該段路基在施工過(guò)程中，基床表面采用級(jí)配碎石作為主要填料，厚度為0.45 m；基床地層采用砂礫土作為填料，厚度為1.2 m；而基床以下路基全采用黃土作為填料。在路基邊坡坡率設(shè)計(jì)方面，采用分級(jí)坡率，即從路基邊緣起往下5 m范圍內(nèi)坡率為1∶1.5，5～15 m范圍內(nèi)采用1∶1.75，而15 m以下的范圍均采用1∶2.25。

該路基段處的地質(zhì)條件主要為第四系上更新統(tǒng)沖擊質(zhì)黃土(Q3al)，其厚度高達(dá)35 m。根據(jù)地質(zhì)勘察資料顯示，該黃土地層土質(zhì)分布較為均勻，呈黃褐色，其垂直節(jié)理發(fā)育，大孔隙較發(fā)育，且具有一定的濕陷性。在施工過(guò)程中，該段路基采用分層碾壓法，其最大松鋪厚度≤0.5 m。

2 高填方路堤沉降現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

2.1 監(jiān)測(cè)方案

2.1.1 監(jiān)測(cè)傳感器選擇

本項(xiàng)目中黃土路基土壓力測(cè)試主要采用振弦式土壓力計(jì)。在監(jiān)測(cè)過(guò)程中，當(dāng)土壓力發(fā)生變化時(shí)，土壓力計(jì)的感應(yīng)板感受到壓力變化而產(chǎn)生變形，并將變形傳遞到振弦，從而使得振弦的振動(dòng)頻率產(chǎn)生變化，通過(guò)電磁線圈對(duì)振弦進(jìn)行激振并測(cè)試其振動(dòng)頻率。結(jié)合本項(xiàng)目的實(shí)際情況，選用的土壓力計(jì)測(cè)量范圍為0～400 kPa，分辨力為0.08% F.S，具有監(jiān)測(cè)精度高、導(dǎo)線布設(shè)方便、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好等優(yōu)勢(shì)。

黃土路基沉降監(jiān)測(cè)主要采用高精度靜力水準(zhǔn)沉降儀。其基于振弦式液位傳感原理，布設(shè)一系列帶有液位傳感器的容器，且各容器間通過(guò)液管連通。根據(jù)本項(xiàng)目的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，其選用的量程為300 mm，其監(jiān)測(cè)精度為±0.1% F.S。

2.1.2 監(jiān)測(cè)斷面布設(shè)及監(jiān)測(cè)方案

結(jié)合本項(xiàng)目的實(shí)際情況，選取典型斷面K9+995作為高填方路基監(jiān)測(cè)對(duì)象，主要采用振弦式土壓力計(jì)和靜力水準(zhǔn)沉降儀，總共布設(shè)三層，傳感器水平向間距為5 m。其具體布設(shè)情況如圖1所示。

傳感器布設(shè)完成后，在路基填筑前應(yīng)讀取3次數(shù)值，取其平均值作為初始值。在監(jiān)測(cè)頻率方面，應(yīng)遵循如下規(guī)定：路基填筑施工期及預(yù)壓土堆填期間應(yīng)保持1～2次/d，施工期應(yīng)保持1次/d，施工完成后1年內(nèi)1次/周，當(dāng)出現(xiàn)沉降量大幅增加或雨季，應(yīng)適當(dāng)增大監(jiān)測(cè)頻率。

注：路基為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，取其一半作示意圖1 K9+995監(jiān)測(cè)斷面示意圖(單位：cm)

2.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果

為全面分析黃土高填方路基在施工過(guò)程中的變形規(guī)律，本項(xiàng)目對(duì)K9+995監(jiān)測(cè)斷面進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)四個(gè)月的監(jiān)測(cè)工作。限于篇幅，本文僅選取路基中埋深最大的一層(第一層)傳感器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，其監(jiān)測(cè)成果如圖2、圖3所示。

圖2 K9+995監(jiān)測(cè)斷面壓力分布示意圖

圖3 K9+995監(jiān)測(cè)斷面沉降值分布示意圖

從圖2、3中可以看出，隨著高填方路基施工過(guò)程的不斷推進(jìn)，監(jiān)測(cè)水平面上的填土厚度越來(lái)越大，其承受的土壓力也隨之增大，沉降值也不斷增大。在壓力及沉降分布規(guī)律方面，可以看出，在6月21日前，左右兩側(cè)路基的壓力及沉降分布基本均衡；但在6月21日以后，左半幅路基的壓力及沉降最明顯增大，其最大壓力值達(dá)到340 kPa，最大沉降值達(dá)到31.5 cm。其原因在于，在6月22日路基施工區(qū)突降大雨，恰逢K9+995斷面處正在進(jìn)行左半幅路基填筑施工，停工后導(dǎo)致該處產(chǎn)生積水，施工單位未及時(shí)將積水排出；隨著積水的不斷下滲，導(dǎo)致左半幅路基黃土結(jié)構(gòu)性嚴(yán)重破壞，沉降量增大，且在水土共同作用下，該處壓力也大幅增加，對(duì)整體路基穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。

3 高填方路基沉降機(jī)理分析

在高填方路基沉降監(jiān)測(cè)值中，主要由兩部分構(gòu)成，一方面是地基的沉降量，另一方面是路基填土的沉降量。由于黃土結(jié)構(gòu)性強(qiáng)，垂直節(jié)理發(fā)育，大孔隙發(fā)育，在水作用下變形量較大，因此黃土高填方路基中路基填土沉降量所占比例較大。鑒于黃土高填方路基中路基填土兼具荷載和介質(zhì)的雙重作用，其沉降量極易受填土高度、施工過(guò)程等因素的影響。

3.1 填土高度對(duì)路基沉降的影響

為全面深入地分析黃土高填方路基填土高度對(duì)其沉降量的影響，本項(xiàng)目選取路基中心監(jiān)測(cè)點(diǎn)，記錄各層監(jiān)測(cè)面中沉降量隨填土高度的變化規(guī)律，所得監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖4所示。

圖4 各監(jiān)測(cè)層沉降量與填土高度的關(guān)系曲線圖

從圖4中可以看出，在黃土高填方路基施工過(guò)程中，埋設(shè)的各層監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降值與填土高度呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，即隨著施工的不斷進(jìn)展，黃土路基填土高度不斷增加，其土壓力隨之增大，在附加荷載作用下，黃土高填方路基沉降累計(jì)值不斷增加；其第一層沉降累計(jì)值較大，最大值達(dá)到315 mm，較第二層沉降累計(jì)值205 mm增加幅度達(dá)53.6%?？梢?jiàn)，通過(guò)對(duì)黃土高填方路基沉降規(guī)律的監(jiān)測(cè)及沉降機(jī)理的研究，將有助于預(yù)測(cè)其施工過(guò)程中的沉降值，進(jìn)而對(duì)施工進(jìn)行指導(dǎo)。

3.2 施工過(guò)程對(duì)路基沉降的影響

為全面監(jiān)測(cè)施工過(guò)程對(duì)黃土高填方路基沉降的影響，本文針對(duì)K9+995斷面開展了長(zhǎng)達(dá)200 d的監(jiān)測(cè)，從而深入分析整個(gè)施工過(guò)程中填土高度-沉降-時(shí)間的關(guān)系演化規(guī)律，所得結(jié)果如圖5所示。

圖5 黃土高填方路基填土高度-時(shí)間-沉降關(guān)系曲線圖

從圖5中可以看出，隨著施工進(jìn)度的持續(xù)推進(jìn)，填土高度不斷增加，各層監(jiān)測(cè)的沉降值也隨之急劇增長(zhǎng)，當(dāng)填土高度達(dá)到23.5 m左右，施工時(shí)間到85 d時(shí)，各工序已基本完成，沉降值增長(zhǎng)速率趨緩；當(dāng)施工時(shí)間到100 d左右時(shí)，其監(jiān)測(cè)值屬于工后沉降，其沉降速率趨于穩(wěn)定。可見(jiàn)，在黃土高填方路基施工過(guò)程中，前期沉降變形增長(zhǎng)速率較快，但后期沉降變形持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。因此在控制黃土高填方路基沉降總量時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)其施工前期黃土壓填密實(shí)度，有效控制前期沉降變形量的發(fā)展。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)通過(guò)對(duì)黃土高填方路基的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，在施工初期，左右兩側(cè)路基的壓力及沉降分布基本均衡；受地表水影響后，黃土結(jié)構(gòu)性破壞嚴(yán)重，沉降量增大，且在水土共同作用下，路基壓力也大幅增加，對(duì)整體路基穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。

(2)通過(guò)對(duì)黃土高填方路基沉降機(jī)理的研究顯示，黃土高填方路基沉降量極易受填土高度、施工過(guò)程等因素的影響，建議加強(qiáng)其施工前期黃土壓填密實(shí)度，有效控制前期沉降變形量的發(fā)展。